dynamiczna analiza wytrzymałościowa kadłuba szybkobieżnego

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 53, ISSN 1896-771X
DYNAMICZNA ANALIZA
WYTRZYMAŁOŚCIOWA KADŁUBA
SZYBKOBIEŻNEGO POJAZDU
GĄSIENICOWEGO
Arkadiusz Mężyk, Jacek Gniłka, Gabriel Mura
Katedra Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Politechnika Śląska
[email protected], jacek.gnił[email protected], [email protected]
Streszczenie
Niniejsza praca dotyczy analizy wytrzymałościowej kadłuba wybranego pojazdu gąsienicowego poddanego obciążeniom dynamicznym pochodzącym od działania zawieszenia w trakcie ruchu pojazdu. Celem pracy jest wyznaczenie stanu naprężeń w konstrukcji kadłuba pojazdu z uwzględnieniem wymuszeń dynamicznych oddziałujących
na kadłub pojazdu w czasie jego eksploatacji z uwzględnieniem układu gąsienicowego.
Słowa kluczowe: analiza wytrzymałościowa, badanie własności wytrzymałościowych kadłuba pojazdu
DYNAMIC STRENGTH ANALYSIS OF THE HULL
OF TRACKED VEHICLE
Summary
This paper concerns the analysis of the strength of the hull tracked vehicle subjected to dynamic loads from
working suspension of the vehicle. Aim of this study is to determine the state of stress the hull structure of the
vehicle, taking into account the dynamic excitations acting on the hull of the vehicle during its operation include
the tracked system.
Keywords: strength analysis, the study of mechanical properties of the vehicle hull
1.
WSTĘP
Obecny rozwój technik komputerowych mechaniki
oraz znaczny wzrost sprzętowych mocy obliczeniowych
pozwalają na analizę pojazdów z uwzględnieniem oddziaływań, które wnosi gąsienicowy układ jezdny [1,2,3,4,15].
Układ zawieszenia pojazdu gąsienicowego to zespół
części i mechanizmów, który wiąże kadłub pojazdu
z osiami kół jezdnych. Jego funkcją jest przeniesienie
ciężaru pojazdu poprzez koła jezdne i gąsienice na grunt
z możliwie najskuteczniejszą minimalizacją drgań korpusu w trakcie jazdy, kiedy na pojazd gąsienicowy działają
siły zewnętrze, które wyprowadzają pojazd z położenia
równowagi, powodując ruch w płaszczyźnie pionowej
oraz przemieszczenia kątowe w płaszczyźnie poprzecznej
i wzdłużnej [2,3,5,6,7,8]. Przekłada się to na pionowe
amplitudy drgań i przyspieszenia, które są odczuwalne
przez załogę [9]. W aspekcie obciążeń konstrukcji tego
typu oddziaływania przekładają się na duże obciążenia
dynamiczne skrajnych węzłów zawieszenia, w ekstremalnych przypadkach dochodzi do uderzeń wahaczy w
ograniczniki ugięcia, co generuje siły obciążające całą
konstrukcję nośną, jaką jest kadłub pojazdu. Dlatego
też istotne znaczenie ma w fazie projektu określenie
stanu obciążenia kadłuba pojazdu oraz określenie występujących w nim naprężeń krytycznych, po których
przekroczeniu może nastąpić uszkodzenie konstrukcji
[10,11,12].
Na podstawie dokumentacji technicznej oraz opracowanych modeli fizycznych CAD zostały opracowane
modele służące do symulacji przejazdu pojazdu. Określono w ten sposób oddziaływania dynamiczne, które
zastosowano do wyznaczenia naprężeń w pojeździe pod
wpływem obciążeń w warunkach ruchu pojazdu. Schemat prowadzenia obliczeń został przedstawiony
na rys. 1.
105
DYNAMICZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA KADŁUBA SZYBKOBIEŻNEGO…
SZYBKOBIEŻNEGO
model do symulacji
dynamiki układów
wieloczłonowych
model do
dynamicznej analizy
wytrzymałościowej
symulacja przejazdu
pojazdu po zadanym
terenie
dynamiczna analiza
wytrzymałościowa
kadłuba, oś Y położona jest w osi koła napędowego
pojazdu, natomiast kierunek osi Z jest zgodny z kierunkieru
kiem działania grawitacji.
określenie naprężeń
krytycznych oraz miejsc
ich występowania
w pojeździe
wartości sił i momentów
sił działających na węzły
zawieszenia w czasie
Rys. 1 Schemat prowadzenia obliczeń
Rys. 2 Orientacja globalnego układu współrzędnych
współrzę
kadłuba
2. MODEL FIZYCZNY
ZASTOSOWANY
DO SYMULACJI DYNAMICZNEJ
RUCHU POJAZDU
Tabela 2 Parametry masowe kadłuba
masa [kg]
35020,0
Położenie środka masy względem
globalnego układu współrzędnych
(osi obrotu koła napędowego)
[mm]
Symulacja przejazdu po wybranej przeszkodzie
przeszkod
terenowej została wykonana na podstawie metody
m
układów
wieloczłonowych zaimplementowana w programie MSC
Adams. Pojazd zamodelowany w programie został
podzielony na elementy zestawione w tabeli 1. Elementy
połączono ze sobą parami kinematycznymi,
inematycznymi, za pomocą
których odwzorowano więzy i kinematykę układu [15].
Symulacje przeprowadzono dla parametrów modelu
odpowiadających masie bojowej pojazdu
jazdu wraz z załogą
42600,4 [kg].
x
-2631
y
0
z
370
Składowe tensora masowego momentu
bezwładności względem środka masy [ kg*m2]
Ixx
66643
Iyy
146315
Izz
207457
Model koła napinającego
y z
x
Tabela 1 Masy podzespołów modelu
l.
szt.
Masa
1 szt.
[kg]
kadłub z wieżą
1
~35020
~35020
koło napędowe
2
193,5
387
koło napinające
2
90
180
koło jezdne
12
102,8
1233,6
łącznik
6
5
wahacz
12
ramie tłumika
rolka
Nazwa
podzespołu
ogniwo gąsienicy
łączna masa
[kg]
Rys. 3 Orientacja globalnego układu współrzędnych koła
napinającego
Tabela 3 Parametry masowe koła napinającego
masa [kg]
90
Położenie środka masy
x
-5540
30
względem globalnego układu
y
-1445
59
708
współrzędnych [mm]
z
50
6
8,5
51
6
31,8
190,8
25
4800
192
Składowe tensora masowego momentu
bezwładności względem środka masy [ kg*m2]
Ixx
42600,4
1,996
Iyy
3,2741
Izz
1,996
Model koła napędowego
W pierwszym etapie budowa
udowa modelu pojazdu gąsiegąsi
nicowego opiera się na zdefiniowaniu własności geomegeom
trycznych, masowych oraz bezwładnościowych brył
nieodkształcalnych stanowiących analizowany układ
kinematyczny. Poniżej zestawiono parametry wybranych
elementów wraz z zobrazowaniem postaci geometryczgeometryc
nych oraz zestawieniem parametrów masowych (rys. 2-5,
tabela 2-5).
y
z
x
Rys. 4 Orientacja globalnego układu współrzędnych koła
napędowego
Model kadłuba
nast
Układ współrzędnych zdefiniowano w sposób następujący: kierunek osi X pokrywa się z górną krawędzią
106
Arkadiusz Mężyk, Jacek Gniłka, Gabriel Mura
Tabela 4 Parametry masowe koła
masa [kg]
a)
90
Położenie środka masy
względem globalnego układu
współrzędnych [mm]
x
-5540
y
-1445
z
50
b)
c)
Składowe tensora masowego momentu
bezwładności względem środka masy [ kg*m2]
Ixx
1,996
Iyy
3,2741
Izz
Rys. 6 Model toru przeszkód
1,996
a) rzut z góry na rozmieszczenie przeszkód terenowych
na analizowanym odcinku przejazdu;
Model rolki podtrzymującej
b) i c) geometria progów rozmieszczonych
z
y
na drodze przejazdu
x
Wyniki symulacji w postaci zmiennych w czasie reakcji sił działających na węzły zawieszenia wyeksportowano do plików stanowiących dane wejściowe symulacji
wytrzymałościowej.
Rys. 5 Orientacja globalnego układu współrzędnych rolki
podtrzymującej
Tabela 5 Parametry masowe rolki podtrzymującej
masa [kg]
Położenie
środka masy
względem
globalnego
układu współrzędnych [mm]
31,8
x
-4492
-2905
-1238
y
1540
1540
-1445
z
247
247
228
Rys. 7 Symulacja przejazdu modelu pojazdu gąsienicowego
po torze przeszkód
4. MODEL FIZYCZNY
ZASTOSOWANY DO OBLICZEŃ
WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH
Składowe tensora masowego momentu
Dynamiczne obliczenia wytrzymałościowe przeprowadzono w programie LS-DYNA. W tym celu zbudowano model powłokowo-bryłowy, składający się z elementów powłokowych o grubościach odpowiadających
grubościom blach.
W przeważającej części modelu zastosowano elementy powłokowe o kształcie czworokątnym. Natomiast
bryłowe elementy skończone zastosowano typu TETRA
[13,14]. Grubości materiałów zdefiniowane w modelu
(rys. 8) zestawiono w tabeli 6.
bezwładności względem środka masy [ kg*m2]
Ixx
0,615
Iyy
0,396
Izz
0,615
3. SYMULACJA DYNAMICZNA
RUCHU POJAZDU
Zbudowany i poddany weryfikacji model zostaje
wykorzystany do przeprowadzenia symulacji. W tym
celu opracowano model przeszkody w postaci drogi z
ułożonymi nieregularnie progami zwalniającymi (rys. 6).
Dodatkowo zostają zastosowane progi o dwóch różnych
wysokościach, jak pokazano na poniższym rysunku.
Symulację przeprowadzono ze stałą prędkością ruchu
pojazdu równą 15km/h.
Tabela 6 Grubości elementów skończonych powłokowych
107
Nr
Grubość [mm]
1
5
2
8
3
10
4
13
5
15
6
18
7
modele bryłowe
DYNAMICZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA KADŁUBA SZYBKOBIEŻNEGO…
2
2
1
1
5
2
Rys. 9 Dyskretyzacja modelu fizycznego
4
4
6
4.1 ZAŁOŻENIA UPRASZCZAJĄCE
2
5
W modelach fizycznych zastosowano następując
7
założenia upraszczające:
- w modelu fizycznym pominięto modele podzespołów,
które
nie
przenoszą
obciążenia
na
konstrukcję
(włazy, klapy),
- w trakcie procesu modelowania pominięto otwory
3
montażowe, połączenia śrubowe, zaokrąglenia, sfa-
5
3
zowania itp.
- blachy i profile zamodelowano za pomocą elementów
Rys. 8 Definicja grubości ścian modelu kadłuba
powłokowych, natomiast wsporniki i wieniec wieży
Powłoki w modelu geometrycznym wygenerowano
za pomocą elementów bryłowych,
jako powierzchnie środkowe blach, natomiast elementy
- do modelu kadłuba zastosowano sprężysty model
bryłowe uproszczono zgodnie z zasadami budowy modeli
materiałowy,
MES (rys. 9) [11,12].
- elementy zawieszenia zastąpiono siłami wynikający-
Poza przedstawionymi elementami skończonymi wykorzystano
również
elementy
masowe
(ELEMENT_MASS), które stanowią odzwierciedlenie
oddziaływania elementów wyposażenia (silnik, przekładnie, wieża itp.) na konstrukcję nośną kadłuba. Elementy
masowe,
dla
których
zdefiniowano
masę
i masowe momenty bezwładności, odpowiadające elementom wyposażenia, przypisano węzłom w okolicach,
w których mocowane są elementy wyposażenia.
W efekcie otrzymano model o parametrach inercyjnych
zbliżonych do obiektu rzeczywistego. W tabeli 7 przedstawiono wykaz przykładowych elementów, którym
przypisano funkcję ELEMENT_MASS modelu.
mi z symulacji zjawisk dynamicznych modelu układu
wieloczłonowego,
- w procesie modelowania i obliczeń numerycznych
pominięto połączenia spawane,
- elementy wyposażenia typu: silnik, przekładnia, wieża, itp. zastąpiono elementami masowymi o odpowiadających im parametrach inercyjnych.
4.2 DEFINICJA WARUNKÓW
BRZEGOWYCH
Analizowany model pojazdu we wszystkich symulacjach numerycznych jest poddany przyspieszeniu
Tabela 7 Wykaz elementów typu ELEMENT_MASS
wykorzystanych do zamodelowania niektórych elementów wyposażenia
Nazwa elementu
300
Akumulator + filtrowentylacja
400
Wieża
sienia. W celu odzwierciedlenia wymuszeń pochodzących od elementów zawieszenia do każdego węzła
Masa [kg]
Agregat prądotwórczy
Amortyzator
grawitacyjnemu wzdłuż osi pionowej układu odnie-
zawieszenia, miejsca mocowania rolek podtrzymujących gąsienice oraz do otworów pod koła napinające
i napędzające, przyłożono zmienne w czasie siły
8 x 50
względem osi X i osi Z, które odpowiadają poszcze-
8925
gólnym węzłom, a uzyskano je z symulacji układu
Przekładnia boczna
2 x 500
wieloczłonowego opisanego we wcześniejszych roz-
Przekładnia główna
750
działach. Ponadto węzły zawieszenia obciążono w
Silnik
1150
miejscach mocowania wałków skrętnych momentem
Zbiornik 1
238
skręcającym, powstającym w wyniku pracy zawie-
Zbiornik 2
600
szenia. Na rys. 10 przedstawiono schematycznie ob-
Zbiornik 3
55
Zbiornik 4, 5, 6, 8, 9, 10
180
ciążenie konstrukcji nośnej w analizach dynamicznych.
108
Arkadiusz Mężyk, Jacek Gniłka, Gabriel Mura
Rys. 12.Przebiegi naprężeń zredukowanych H-M-H dla
elementów należących do obszarów, w których występowały
największe wartości naprężeń
Rys. 10 Schemat obciążenia gniazd wahaczy
5. WYNIKI OBLICZEŃ
W wyniku symulacji przejazdu przez model toru
przeszkód z prędkością 15 km/h otrzymano naprężenia
w
funkcji
czasu.
Wyniki
obliczeń
przedstawiono
w postaci graficznej, map naprężeń oraz zestawień
wartości
liczbowych
dla
fragmentów
konstrukcji,
w których wartości naprężeń są największe. Miejsca
występowania maksymalnych naprężeń i ich wartości
(rys. 11) zamieszczono w tabeli 8.
Rys. 13 Naprężenia zredukowane H-M-H w okolicy przedniego
środkowego słupka [kPa]. Maksymalna wartość naprężenia
w elemencie nr 161437 o wartości 95 [MPa]
Wyniki w postaci map naprężeń przedstawiono na
rysunkach 13÷16.
1
2
3
4
Rys. 11 Miejsca występowania maksymalnych
naprężeń H-M-H
Rys. 14 Naprężenia zredukowane H-M-H w miejscu prawego
wspornika półki pojazdu [kPa]. Maksymalna wartość naprężenia
w elemencie nr 444555 o wartości 83 [MPa]
Tabela 8 Wartości maksymalnych naprężeń H-M-H
Lokalizacja
Miejsce występowania
Wartość naprężeń [MPa]
1
Słupek przedni
środkowy
97
2
Prawy wspornik
półki
83
3
Żebro prawe
77
4
Otwór w lewej
burcie
75
na modelu
Rys. 15 Naprężenia zredukowane H-M-H w okolicy prawego
żebra [kPa]. Maksymalna wartość naprężenia w elemencie
nr 82249 o wartości 77 [MPa]
Wartości naprężeń redukowanych można przedstawić w
postaci charakterystyki w funkcji czasu przejazdu (rys. 12).
109
DYNAMICZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA KADŁUBA SZYBKOBIEŻNEGO…
Rys. 16 Naprężenia zredukowane H-M-H w okolicy otworu
lewej burty [kPa]. Maksymalna wartość naprężenia
w elemencie nr 111747 o wartości 75 [MPa]
6. WNIOSKI
Przeprowadzone i opisane w niniejszym artykule prace miały charakter dwuetapowy. Pierwszy etap polegał
na budowie modelu całego pojazdu gąsienicowego
uwzględniającego
parametry
geometryczne
i masowe pojazdu. Przeprowadzona na tej podstawie
analiza przejazdu modelu przez zadaną przeszkodę
terenową umożliwiła określenie stanu obciążenia węzłów
zawieszenia.
W dalszej kolejności opracowany został model kadłuba pojazdu gąsienicowego uwzględniający wymiary
geometryczne oraz połączenia elementów konstrukcji.
Opracowano warunki przeprowadzenia dynamicznej
symulacji wytrzymałościowej, uwzględniając sposób
podparcia konstrukcji oraz sposób jej obciążenia siłami
będącymi
wynikami
analizy
przeprowadzonej
w pierwszym etapie prac. W rezultacie otrzymano mapy
rozkładu naprężeń redukowanych H-M-H na całym
obszarze analizowanej konstrukcji. Na tej podstawie
wyróżniono miejsca, w których wartości naprężeń były
największe. Stwierdzono, iż uzyskane wartości naprężeń
w badanych warunkach nie stanowią zagrożenia dla
analizowanej konstrukcji. Powyższa procedura pozwala
nie tylko na weryfikację konstrukcji, ale również stanowi
pomocne narzędzie wskazujące miejsca, w których powinna zostać poprawiona wytrzymałość elementów
nośnych pojazdu.
Praca naukowa realizowana w ramach umowy 2828/B/T00/2010/40 oraz finansowana ze środków budżetowych na
naukę w latach 2011 – 2014 jako projekt badawczy o numerze O N501 282840.
Literatura
1. Klein W, Mężyk A. Czapla T.: Hybrydowy układ napędowy pojazdu gąsienicowego. „Szybkobieżne Pojazdy
Gąsienicowe 2012, 1(29), s.
2. Nabagło T.: Modelowanie i symulacja pojazdu gąsienicowego w programie MSC. ADAMS. „Czasopismo
Techniczne” 2011, z.4-M/2, s. 375-382.
3. Kciuk S., Mężyk A., Mura G.: Modelling of tracked vehicle dynamics. “Journal of KONES Powertrain and
Transport” 2010, Vol.17. No.1. p. 223-232.
4. Barnat W.: Numeryczna analiza wpływu rodzaju kadłuba na dynamikę pojazdu gąsienicowego na przykładzie
BWP i lekkiego pojazdu opancerzonego wojsk aeromobilnych. „Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe” 2007, nr
1(22), s. 35 -46.
5. Chodkowski A. W.: Badania modelowe pojazdów gąsienicowych i kołowych. Warszawa: Wyd.WKŁ, 1982.
6. Burdziński Z.: Teoria ruchu pojazdu gąsienicowego. Warszawa: Wyd. WKŁ, 1972.
7. Rybak P.: Operating loads of impulse nature acting on the special equipment of the combat vehicles.
“Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability” 2014, 16 (3), s. 347–353.
8. Borkowski W, Rybak P.: Dynamic load in operation of high-speed tracked vehicles. “Journal of KONES. Powertrain and Transport” 2009, Vol.16. No.4., p. 17-22.
9. Jamroziak K., Kosobudzki M., Ptak J.: Assessment of the comfort of passenger transport in special purpose
vehicle. “Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability” 2013, 15(1), s. 25-30,
10. Kosobudzki M.: The use of acceleration signal in modeling proces of loading an element of underframe of high
mobility wheeled vehicle. “Eksploatacja i Niezawodnośc – Maintenance and Reliability” 2014, 16 (4), s. 595–599.
11. Norma Obronna NO-06-A105. Uzbrojenie i sprzęt wojskowy. Ogólne wymagania techniczne, metody kontroli i
badań. Ogólne zasady badań oraz odbioru prototypów i urządzeń produkowanych seryjnie. Warszawa: MON,
2005.
12. MIL-STD 810G: Environmental Test Methods and Engineering Guidelines, Department of Defense. USA, 2008.
13. Rusiński E.: Zasady projektowania konstrukcji nośnych pojazdów samochodowych. Wrocław: Ofic. Wyd. Pol.
Wrocł., 2002.
14. Kruszewski J.: Ostachowicz W., Tarnowski K., Wittbrodt E.: Metoda elementów skończonych w dynamice
konstrukcji. Warszawa: Arkady, 1984.
15. MSC Adams Manual. 2012
110